医疗诊断样本大容量低温储存装置的设计与分析

0引言

随着全自动体外诊断设备的普及,医疗诊断样本对低温(即冷藏)存储的需求量不断增加,对在线低温存储装置的需求提升。在医学检验科自动化检测流水线中,低温存储通常使用在生化分析仪、血液分析仪、尿液分析仪等精密仪器及实验室流水线分析系统的末端,当医疗样本完成相关医学检测后,检测结果需要医生评估确认或者仪器测试时间较长,此时的样本需要在设备中进行低温存储,以防止样本腐败失效[1—3]。

目前,样本低温储存方式主要包括:1)人工取放、储存样本,存在效率低,样本复测时,易发生样本识别错误,导致样本测试时效性降低的问题;2)自动低温储存装置,此类装置通常设计有多个用于取放样本的机械手或者多自由度机械臂,此种装置结构复杂,但空间利用率高,储存样本数量较大;3)储存装置内未设计取放机械手,但内部样本储存位置为联动状态,要取某一个样本时,低温储存设备内的样本均需要跟随移动,增加了样本损坏及定位错误的风险,当机构出现故障时,维修维护复杂,增加了维护时间。

针对上述技术问题,设计了一种医疗诊断样本大容量低温储存装置,为医疗诊断样本的存储提供高效、智能化的解决方案。装置由冷藏轨道、冷藏作业区、冷藏存储区和中央控制器组成,采用双仓间多点位精准交互、低温存储与智能质控技术,实现了医疗诊断样本多层高密度低温智能存储,以及低温存储样本的自动转移、智能追踪,并可准确对低温储存装置内的任意样本进行复测及丢弃。结构设计紧凑、连接可靠。最终通过有限元仿真分析关键部件在典型满载工况下的应力和形变,确保装置的稳定运行能力。

1低温储存装置的总体设计

如图1所示,低温储存装置主要包括冷藏轨道、冷藏作业区、冷藏存储区和中央控制器,为医疗诊断样本的存储提供高效、智能化的解决方案。其设计充分考虑实际应用需求,兼具创新性和实用性,能够实现医疗诊断样本大容量、高坪占比和精准温控的低温存储[4—5]。冷藏作业区和冷藏存储区上侧各放置一套制冷系统,下侧密封连接在一起,形成一个密闭的低温存储空间,以达到该空间的整体制冷效果。冷藏轨道设置在冷藏作业区一侧,冷藏轨道与自动检测流水线连接在一起,实现流水线上样本的传输、识别、分配,将需要冷藏存储的样本传送至冷藏作业区一侧的取样位,或将样本传送至流水线下一级模块,冷藏存储区用于样本的冷藏、存储。本方案通过冷藏轨道、冷藏作业区、冷藏存储区实现自动存取样本、智能化记录样本在冷藏储存装置中的位置、自动提取至冷藏轨道等动作,使样本存储及提取实现自动化和智能化。冷藏存储区为多层高密度结构,根据中央控制器指令,可自动分层存放、提取样本及废弃过期样本,有效降低了医务工作人员被生物感染的风险,提高了样本存取效率及准确性,降低了人工劳动强度,提高了设备容量和坪占比。实测单模块样本存储量15 000管,存储密度4 343管/m2,与国际主流产品对比具有明显优势,如表1所示。实测低温储存温度范围3.6~6.3℃,在温度控制要求的2~8℃范围以内,温控效果稳定,可以有效防止医疗诊断样本的腐败失效。

2 关键机构设计

2.1冷藏轨道

如图1所示,冷藏轨道主要由进样轨道、空托缓存轨道、识别组件和样本废弃组件组成,可与自动检测流水线连接在一起,实现流水线上样本的传输、识别、分配,在进样轨道上设置有“取样位”,用于放置将要进入冷藏存储模块存储的样本或从冷藏存储模块加载至冷藏轨道的样本;识别组件包括取样位下侧的RFID组件和取样位上侧的条码扫描组件,用于识别取样位处样本托和样本管的信息,以确定样本去向及样本管的规格信息;样本废弃组件用来放置需要废弃的样本。

2.2冷藏作业区

如图2和图3所示,冷藏作业区包括转移区和存储区,主要由箱外抓手组件、自动门组件、样本分拣组件、样本架装载组件、作业区框体和制冷系统组成。在冷藏作业区靠近冷藏轨道的一侧设置一个样本出入口(图1),箱外抓手组件安装于冷藏作业区样本出入口一侧的外侧,且位于冷藏轨道取样位的上侧,用于转移需要由冷藏轨道转移至冷藏作业区或从冷藏作业区转移至冷藏轨道的样本; 自动门组件与箱外抓手组件安装于冷藏作业区的同一侧,用于自动开合冷藏作业区的样本出入口,在没有样本进出冷藏作业区时,及时关闭样本出入口,以保证冷藏空间的制冷效果;样本分拣组件安装于冷藏作业区内部靠近冷藏轨道的一侧,冷藏轨道设置在冷藏存储模块一侧,用于冷藏作业区内外侧载入、载出样本的转移、收集、暂存;样本架装载组件安装于冷藏作业区内部靠近冷藏存储区的一侧,用于将位于样本分拣组件上装载有样本的样本架转移至冷藏存储区进行储存,或者将位于冷藏存储区装载有需要复测或废弃样本的样本架转移至样本分拣组件;作业区框体主要用于安装、密封冷藏作业区各模块;冷藏作业区上侧安装一套制冷系统,用于冷藏空间的制冷。另外,采用双仓间多点位精准交互技术(箱内抓手组件和箱内顶手组件构成的双机械手协同,如图3所示)实现样本的自动转移、智能追踪,并可准确对低温存储装置内的任意样本进行复测及丢弃。

2.2.1箱外抓手组件

如图1所示,箱外抓手组件主要由悬臂组件、旋转组件、抓手组件组成,箱外抓手组件通过悬臂组件安装于冷藏作业区的一侧,同时通过安装在悬臂组件上的电机可驱动旋转组件及安装在旋转组件上的抓手组件绕一定的角度旋转,通过安装在旋转组件上的电机可驱动抓手组件上下升降运动,通过安装在抓手组件上的电机驱动安装于抓手组件上的夹爪打开或闭合,从而实现抓手组件的旋转、升降、抓取动作,实现冷藏轨道上侧样本的转移。

2.2.2自动门组件

如图4和图5所示,自动门组件主要由丝杠电机、导向板、主动滑轨、从动滑轨组件、滚动轴承和密封门组件组成,丝杆电机驱动主动滑轨上的滑块及安装在该滑块上的从动滑轨组件向前移动,从动滑轨组件上的滑轨及安装在该滑轨上的密封门组件随滚动轴承沿导向板上的孔位轨迹进行移动,从而实现密封门组件的自动开合。

2.2.3样本分拣组件

如图2和图3所示,样本分拣组件由样本存放组件、自动交互组件、箱内抓手组件、箱内顶手组件、安装基板组件和升降承载组件组成。样本存放组件、箱内抓手组件、箱内顶手组件均安装在基板组件上,样本存放组件两侧各放置一个样本架,用于临时存放载入、载出的样本;自动交互组件安装在样本存放组件两个样本架之间,用于传输冷藏作业区载入、载出的样本;箱内抓手组件和箱内顶手组件分别位于样本存放组件的上侧和下侧,通过上下配合来取放样本存放组件样本架上不同规格的样本管;升降承载组件用来承载安装基板组件及其上侧安装的各个模块,同时可以驱动所承载上侧各模块进行升降运动,为样本架装载组件在样本分拣组件区域存放样本架预留空间。

2.2.4样本架装载组件

如图2和图3所示,样本架装载组件主要由固定组件、平移组件、样本架取放组件组成。固定组件安装在作业区框体上,平移组件通过滑块安装在固定组件上下两侧的导轨上,由安装在固定组件上下两侧的两个电机同时驱动沿固定组件上的导轨方向移动;平移组件上安装有竖向导轨,样本架取放组件上安装有横向导轨,平移组件上的两个电机可分别驱动样本架取放组件沿竖向导轨和横向导轨方向移动,从而使样本架取放组件运动至冷藏存储区任一样本架存放区域及样本分拣组件上的两个样本架区域,实现样本分拣组件与冷藏存储区之间的样本架转移及存取。

2.2.5作业区框体

如图2所示,作业区框体主要由框体组件及门板组件组成,门板组件位于框体组件的一侧,可打开进入冷藏作业区内侧进行冷藏作业区内侧各模块的维护,同时在门板组件上设置一个透明视窗,用于观察冷藏作业区内部的工作状态。

2.3冷藏存储区

如图3和图5所示,冷藏存储区主要由存储区、样本架、存储区框体和制冷系统组成。存储区分多层布置,每层可存放多个样本架,用于样本架的存放及样本架上样本的冷藏存储;样本架主要用于样本管的存放;存储区框体用于安装、密封冷藏存储区各模块,同时存储区框体前侧设置双开门结构,当需要时,可对存储区及样本架进行维护或者人工大批量取出冷藏存储区内的样本,同时双开门上各设置一个透明视窗,用于观察冷藏存储区内部的工作状态;冷藏存储区的上侧安装一套制冷系统,用于冷藏空间的制冷。

3 仿真分析

本研究利用creoS,mulate工具进行静态有限元分析,针对低温存储装置中的双仓间多点位精准交互机构,箱内顶手组件悬臂为其关键部件,对其进行相应的静应力分析,验证机械结构设计是否合理、功能能否实现,并针对运动过程中的节点位移和形变数据进行分析[6]。

箱内顶手组件悬臂的材料为铝合金A5052,厚度为5 mm,密度为2680 kg/m3,泊松比0.38,杨氏模量69.3 Gpa,屈服强度65 Mpa。根据最大负载与受力情况,对箱内顶手组件悬臂的表面施加最大载荷F=30N,并对其施加约束条件、载荷和网格划分,从而仿真得出有限元分析的强度和刚性结果。

1)强度分析:箱内顶手组件悬臂所受的最大等效应力为26.5 Mpa,未超过铝合金A5052的屈服应力65 Mpa,强度满足要求,如图6所示。

2)刚性分析:箱内顶手组件悬臂所受最大变形位移为0.94533 mm,形变比例37.394,小于1 mm变形量需求,刚性满足要求,如图7所示。

4 结论

本文介绍的大容量低温储存装置,通过冷藏轨道、冷藏作业区、冷藏存储区与中央控制器的协同设计,为医疗诊断样本的存储提供了高效、智能化的解决方案。装置采用多层高密度存储架构,实测单机容量达15 000管,坪占比4 343管/m2,低温储存温度范围3.6~6.3℃ ,较国际主流设备具有明显的优势。集成双仓间多点位精准交互与智能质控系统,支持样本自动存取、位置追踪、过期样本废弃及精准复测,降低了人工操作错误率;通过对箱内顶手组件悬臂进行关键部件的静应力分析,验证了双仓间多点位精准交互关键机构的强度和刚性,确保其实际应用中的可靠性和疲劳寿命。该装置凭借其独特的结构设计和智能化功能,为实现体外诊断医疗自动化流水线样本后处理的低温存储提供了新方案,具有重要的实际意义。

[参考文献]

[1]MillerH,HolzingerA,plAssM,et Al.ExplAinA—bility And cAusAbility for ArtificiAl intelligence—

supported MedicAl iMAge AnAlysis in the contextoftheEuropeAn InvitroDiAgnosticRegulAtion[J].NewBiotechnol,2022,70: 67—72.

[2] WAng L,Xu W C,WAngB,etAl.MethodsAnd AdvAncesintheDesign,TestingAndDevelopMentof InvitroDiAgnosticInstruMents[J].process,2023,11(403):1—19.

[3]高倩,江洪,陈禹保.我国体外诊断行业发展现状与对策k建议[J].中国生物工程杂志,2022,42(10):105—111.

[4]万秋里,季后红,刘瑜.电路板夹爪机构运动学分析[J].机械传动,2022,46(12):112—118.

[5]吴志,宁萌,颜大千,等.机械手设计及其运动分析[J].机械设计与研究,2022,38(2):97—100.

[6]刘钊,付亮,何玉玲.pro/E自顶向下方法在复杂机械设计中的应用[J].机械设计与研究,2011,27(5):18—20.

《机电信息》2025年第20期第12篇